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第2章 绝缘体也会导电

1975年,美国费城(它的全称是费拉德尔非亚)宾夕法尼亚大学的艾伦·马克迪亚米德(1927~)教授,到日本访问。当这位出生在新西兰的化学家参观东京技术学院(一译东京理工学院)的时候,在一个实验室的角落里看见一种奇异的薄膜——样子像塑料,但又闪着金属的银光。于是,他好奇地询问:“那是什么?”“废品”。陪同的白川英树(1936~)教授不以为然地回答。

日本筑波大学化学家白川英树接着介绍,这是一个朝鲜留学生在做高分子聚合黑色聚乙炔薄膜实验的时候,由于没听清要求,弄错了配方,误加入了成千倍的催化剂,才产生出这种莫名其妙的废品。白川之所以把它在实验室角落里展示了5年,是作为不按导师实验要求而发生事故的“物证”。

马克迪亚米德面对着这件废品思索片刻以后,毅然停止了参观,坚持要求面见出事故的朝鲜留学生。他详细询问了实验的全过程和配料的比例等,在得知这有机银光薄膜还具有一些导电性能的时候,一个灵感的火花迸发出来——能不能发明一种能导电的塑料呢?

这是一个有悖常理的大胆设想。自从1868年发明第一种塑料——赛璐珞以来,形形色色的塑料都是绝缘体,这已是“铁板钉钉”的事实。

但是,马克迪亚米德却独具慧眼,当即邀请白川到宾夕法尼亚大学共同研究。原来,他和另一位当时在宾夕法尼亚大学任教的美国加利福尼亚大学物理学家艾伦·黑格(1936~),也在合作研究无机聚合物的金属薄膜。

在宾夕法尼亚太学的实验室里,他们用先进的设备进行了大量掺杂研究试验——白川知道掺杂后材料的性质会发生巨大的改变,并且利用精密电脑记录分析。在经过无数次失败之后,当有一次将微量的碘非常困难地加入到一种聚乙炔中的时候,奇迹发生了——经过黑格的一个学生测量,银光塑料的导电率一下子提高了1000万倍(一说3000亿倍),真正成了金属般的导电塑料。

1977年,在纽约科学院国际学术会议上,白川把一个小灯泡连接在一张聚乙炔薄膜上,灯泡马上被点亮了。

“塑料也能导电!”此举让四座皆惊,因为塑料是绝缘体的定论已经被推翻。

同年夏天,黑格、马克迪亚米德和白川等,将他们的成果发表在论文《导电有机聚合物合成:聚乙炔的卤素衍生物》中。这一发现被公认为是一个重要突破。从此,一个新领域诞生了,并引导出许多新的和令人激动的应用。

导电塑料的发现,掀起一股研究热。仅1984年一年,全世界发表的有关重要论文就超过200篇。

那么,掺有杂质的塑料为什么会导电呢?和白川一起在筑波大学研究的赤木和夫通俗地说:“杂质虽然不会改变塑料的结构,但使电子处于‘兴奋’状态,从而形成电流。”

导电塑料具有塑料的优点,例如重量轻,拉伸性、弹性和柔韧性好而便于成型。同时,它又具有金属的优点——导电性好。由于这些优点,可以代替金属作一般的输电导线。而且,由于可以做得很细,所以能在微电子领域大展宏图——例如用在越来越密集而且不断微型化的集成电路中。目前,大批量生产的导电塑料,已经广泛应用在微电子工业中。

将导电塑料浸入一种复杂的溶液后,可以把太阳光的能量转变成电能,它的原理类似植物的叶绿素的作用。用它可以制成太阳能塑料薄膜,并根据建筑物形状进行剪裁,直接将太阳能变成电能并储存起来,非常方便。20世纪末才开始研究的高分子聚合物太阳能电池,就采用了这种太阳能塑料薄膜。它将太阳能转化为电能的效率,提高到了3%左右,一旦更上一层楼,其廉价的成本必将前途无量。

蓬勃发展的纳米技术,推进了导电塑料的研究。美国利用塑料纳米技术,成功地开发出了新型塑料太阳能电池。它的电极厚度只有头发丝粗细,却可以源源不断提供0.7伏的电压。

利用导电塑料吸收电磁波的特性,可以制成抗电磁波干扰的屏蔽装置,非常轻便。目前可以做得非常薄的导电塑料,具有可以弯曲等其他优良特性。博伊尔勒认为,把它应用在电脑上,将有望进一步缩小电脑的体积并提高其运行速度。

最近,科学家又制成了塑料晶体管,向单晶硅提出挑战。如果能用导电塑料取代锗和硅,将以低廉的价格和更易于加工处理的优势,引起电脑的革命。

对这些进展,赤木和夫甚至满怀憧憬地说:“也许可以像瑞典皇家科学院所说的那样,把高性能的电脑装进手表。”

更令人惊奇的是,科学家又研制出了超导塑料——零下270℃的时候电阻为零。这对于超导物理的理论研究又提出了新课题,潜在的实用价值不可限量。

中国科学家们正在研制的塑料电池。重量轻——仅为铅酸蓄电池的1/20,使用寿命长,提供电流大,其功率密度比传统铅酸蓄电池约高20倍,性能也稳定可靠。这场“电池革命”,最终会使没有污染、噪声小和节约石油能源的电动自行车与电动汽车得到广泛使用。

1990年,英国剑桥大学的弗伦德(R.Friend)发现,在电场中某些有机聚合物可以发光。采用导电塑料制成的有机发光二极管非常薄,比普通发光二极管使用寿命更长、亮度大、耗能低和发光效率极高——它属于冷光源。美国专家预测,到2020年,使用这种发光二极管,将使美国照明用电减少一半,从而每年节约1000亿美元,把生产电能造成二氧化碳排放量减少近3000万吨。这种发光二极管还可用于制造可弯曲的彩色显示屏幕,用在电脑或电视机等上面。

导电塑料的发明,让三位科学家共同登上了2000年诺贝尔化学奖的领奖台,共享91.37万美元的奖金。

英国物理学家汤姆逊曾经说过:“在能够对科学作出贡献的所有因素中,观念的突破是最伟大的。”导电塑料的发明,是“观念更新出成果”和“取优点去劣势”的典型例证。

威尔·罗杰(Will Rogers)说:“没有什么是永恒的。”绝缘体会向“相反方向”变成导体,印证了这个哲理,也诠释了英国诗人雪莱(1792~1822)的名言:“除了变,一切都不能长久。”

用绝缘性好的陶瓷去制作超导体,把硬脆的陶瓷改得硬而不脆,在硬脆的玻璃中加入金属,制成硬而不脆的金属玻璃,都是类似的例证。

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